超高速碰撞天然白云石板產生光譜輻射的實驗研究

袁健飛，相升海，唐恩凌，張衛東，張　爽，于永志

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽　110168；

2.沈陽航天三菱汽車發動機制造有限公司，沈陽　110179)

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超高速碰撞天然白云石板產生光譜輻射的實驗研究

袁健飛1，相升海1，唐恩凌1，張衛東2，張爽1，于永志1

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽110168；

2.沈陽航天三菱汽車發動機制造有限公司，沈陽110179)

摘要：為了研究深空未知物質的元素組成，利用瞬態光譜測量系統和二級氫氣炮加載系統，進行了球狀鋁彈丸超高速碰撞天然白云石板產生光譜輻射的實驗研究，得到了多組碰撞角度相同，碰撞速度不同的元素光譜圖；實驗結果表明：碰撞光譜的元素組成與彈靶的物質成分基本一致；不同碰撞速度所產生的碰撞光譜及特征一致，但光譜輻射強度不同，碰撞速度越高，各元素的光譜輻射強度越強；瞬態光譜測量系統和二級氫氣炮加載系統是測量超高速碰撞光譜的有效手段。

關鍵詞：超高速碰撞；光譜輻射；輻射強度

Citation format:YUAN Jian-fei, XIANG Sheng-hai, TANG En-ling,et al.Experimental Research of Spectral Radiation Produced by Hypervelocity Impact on Natural Dolomite Plate[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):167-170.

超高速碰撞過程中的光譜輻射特征是超高速碰撞過程中的重要效應之一[1]。碰撞物質光譜中的波長、強度可以準確地反應碰撞物質的成分及各成分的比值[2]，對于鑒別未知物質成分有重大意義。通過對碰撞過程中物質光譜的采集，可以在宏觀和微觀層次上揭示超高速碰撞過程中物質的元素信息，從而為航天器的防護和深空探測不明物體的物質組成提供重要的信息。Schultz和Ernst進行了碰撞非揮發物質靶、粒子靶(主要是浮石粉末)過程產生閃光強度的演化特征研究[3-4]。雖然彈丸尺寸和碰撞速度與碰撞金屬靶的實驗條件類似，但是閃光特征顯著不同。國內外開展的相關研究主要針對粒子靶或金屬靶，關于天然白云石板的研究鮮見類似報道。唐恩凌等推導了碰撞產生閃光的射流起爆模型并利用建立的光纖瞬態高溫計測量系統結合二級輕氣炮加載系統，對彈丸超高速碰撞天然白云石板產生的碰撞閃光現象進行了測試，通過實驗數據分析，得到了在相近碰撞速度條件下彈丸入射角度與產生閃光強度的關系[5]。本文針對上述現狀，對碰撞天然白云石板產生的元素光譜進行研究。通過對光譜儀采集實驗數據分析，得到碰撞光譜的譜線特征與物質組成成分的對應現象及一些元素的特征波長和譜線強度的關系。

1實驗

1.1實驗設備及其測量

實驗在沈陽理工大學強動載研究中心的二級輕氣炮上完成。為消除氣體對實驗結果的影響，實驗時將發射管和靶室抽成真空，抽真空后靶室內壓力小于100 Pa。碰撞光譜采用德國產光譜測量系統測量,快門時間可控,分辨率可達皮米級并在整個紫外和可見波長范圍內實現同時檢測。測量系統主要由中階梯光柵光譜儀(ESA 4000)、示波器及計算機控制系統組成。

二級輕氣炮發射超高速彈丸碰撞靶板產生閃光，光纖耦合器對閃光信號進行采集，光信號輸入光譜儀，光譜儀對信號進行實時分析，得出實驗數據。具體的光譜測量原理如圖1所示。

圖1　光譜測量原理圖

1.2碰撞基本參數

彈丸為直徑4.6 mm的2A12實心鋁球；靶板為20 mm厚的天然白云石板，表面經加工后光潔，白云石板產自遼寧省岫巖縣山區。該白云石板的化學成分為CaMg(CO3)2，其具體物質組成：MgO質量分數為21%，CaO質量分數為31%，CO2質量分數為48%。常含有硅、鋁、鐵、鈦等雜質。表1為碰撞基本參數。

表1　碰撞基本參數

實驗前將光譜儀光纖探頭固定在靶板的正前方，實驗靶室布局如圖2(b)所示。通過光纖探頭對給定位置和方位角處靶板產生的光譜進行測量，從而確定彈靶材料的物質成分，得到光譜輻射強度與碰撞參數的關系，光譜數據采集系統實物圖如圖2所示。

圖2　實驗實物圖

1.3實驗結果與分析

實驗后的靶板如圖3所示。

圖3　實驗后的靶板

給出了測量獲得的典型實驗條件下碰撞產生的光譜如圖4所示。由圖4(a)中可以看出,彈靶中含有鎂、硅、鋅、鈣、銅和鉑等多種元素，與彈靶的物質成分基本一致。圖4表明：在390.553 nm和530.102 nm處都存在明顯特征譜。通過對實驗后的彈靶材料和碰撞光譜進行分析后認為:圖4中390.553 nm和530.102 nm光譜分別是Si原子和Pt原子光譜，都是天然白云石靶板中的雜質成分。

圖4　不同碰撞速度下的碰撞光譜

分析圖4中390.553 nm和530.102 nm位置的兩個特征譜,發現這3種不同碰撞速度所產生的碰撞光譜及特征一致,只是由于碰撞速度不同,即碰撞動能不同,所產生的光譜輻射強度不同。圖5是不同碰撞速度下Si原子和Pt原子的光譜輻射強度與碰撞速度的關系圖。圖5表明：對于相同輻射光譜,隨著速度增大，碰撞光譜輻射強度相對增強；對于這兩種元素，鉑元素的曲線基本平滑，硅元素的曲線有一個明顯的上升趨勢，并在速度為3.47 km/s時兩點能量相同。這是因為天然白云石靶板中Si比Pt多，Pt原子相對Si原子較穩定，比較難激發，所以Si元素光譜強度比Pt元素反應明顯。

圖5　光譜輻射強度與碰撞速度的關系

圖6是碰撞速度為2.46 km/s時，不同波長下的光譜輻射強度圖。由圖6可以看出，每幅光譜輻射強度圖都有26個小框圖組成，每個小框圖表示不同波長條件下原子的光譜輻射強度。小框圖右上方的兩行數字從上而下表示該元素占鋁元素的比重、光譜輻射強度。以最后一個小框圖為例，它表示波長為308.216 nm時，對應的原子的光譜輻射強度為1690.76a.u。圖6表明：在波長為200～350 nm，鋁元素居多，且在波長308.216 nm時強度最強。

圖6　速度為2.46 km/s時不同波長下的光譜輻射強度

分析五組不同速度下光譜輻射強度與碰撞速度的關系。彈靶材料主要以鋁元素和鎂元素為主，圖中鋁元素和鎂元素分別在波長308.216 nm和517.270 nm時強度最強。

圖7為鎂鋁元素光譜輻射強度與速度的關系。圖7表明：鎂元素隨碰撞速度的增加，譜線輻射強度緩慢增加；鋁元素隨碰撞速度的增加，譜線輻射強度有較大提高。這是由于彈丸由鋁組成，而鎂元素以MgO形式存在，較難激發。

圖7　光譜輻射強度與碰撞速度的關系

2結論

碰撞光譜的元素組成與彈靶的物質成分基本一致。不同碰撞速度所產生的碰撞光譜及特征一致，但光譜輻射強度不同，碰撞速度越高，各元素的光譜輻射強度越強。瞬態光譜測量系統和二級氫氣炮加載系統是測量超高速碰撞光譜的有效手段。

參考文獻：

[1]DUGGER P,HENDRIX R.Measurement of transient hypervelocity impact phenomena at AEDC[R].AIAA-1994-0087,1994.

[2]RAMJIAUN D,SHINOHARA M,KATO I,et al.Spectroscopic study of radiation associated with hypervelocity impacts[C]//proceeding of the 23rd International Symposium on Shock Waves.2001.

[3]SCHULTZ P H,GAULT D E.Prolonged global catastrophes from oblique impacts,in Global Catastrophes in Earth History:An Interdisciplinary Conference on Impacts,Volcanism,and Mass Mortality[C]//edited by Sharpton V L and Ward P D,1990:239-261.

[4]ERMST C M.SCHULTZ P H.Effect of initial conditions on impact flash decay [J].LPSC,2003,34:2020.

[5]唐恩凌，施曉涵，張慶明等.超高速碰撞天然白云石板產生閃光的實驗研究[J].強激光與粒子束，2014，26(11)：1-6.

(責任編輯唐定國)

Experimental Research of Spectral Radiation Produced by Hypervelocity Impact on Natural Dolomite Plate

YUAN Jian-fei1, XIANG Sheng-hai1, TANG En-ling1,ZHANG Wei-dong2, ZHANG Shuang1, YU Yong-zhi1

(1.College of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168，China;2.Shenyang Aerospace Mitsubishi Motors Engine Manufacturing CO., LTD., Shenyang 110179, China)

Abstract:In order to research unknown material elements in the deep space, using transient spectrum measurement system and secondary hydrogen loading system, we had experimentally researching of spectral radiation produced by hypervelocity impact on natural dolomite plate with spherical aluminum projectile and earning many groups of element spectrum diagrams with same incidence angle of projectile and different impact velocity. Experimental results show that the element composition of impact spectrum is agree with the material composition of the target. The higher impact velocity, the stronger spectral radiant intensity of each element, except the difference, different impact velocity generated by impact spectrum and spectrum characteristic is consistent, but different spectral radiation intensity. Transient spectrum measurement system and secondary hydrogen loading system are effective methods for measuring spectral radiance produced by hypervelocity impact.

Key words:hypervelocity impact; spectral radiance; radiation intensity

文章編號：1006-0707(2016)03-0167-04

中圖分類號：O531；TJ399

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.040

作者簡介：袁健飛(1989—)，男，碩士研究生，主要從事超高速碰撞研究。

基金項目：國家自然科學基金(11272218)

收稿日期：2015-08-12；修回日期：2015-09-01

本文引用格式：袁健飛，相升海，唐恩凌，等.超高速碰撞天然白云石板產生光譜輻射的實驗研究[J].兵器裝備工程學報，2016(3):167-170.

【基礎理論與應用研究】